Физикам Европейского центра ядерных исследований /ЦЕРН/ удалось создать и удержать в течение продолжительного времени антиматерию, что может помочь им разгадать одну из самых больших тайн в науке. В статье, опубликованной в среду в британском журнале «Нейчур», ученые ЦЕРН пишут о том, что им удалось воспроизвести в вакууме 38 атомов антиводорода, некоторые из которых просуществовали одну десятую долю секунды, что дало ученым достаточную почву для их изучения.

Русская служба BBC / Фото: Daylife.com

Эксперимент ALPHA. Фото пресс-службы CERN

Схема ловушки для атомов антиводорода/CERN

Золотые электроды, соединенные с вакуумной камерой
и криостатом – эксперимента ALFA для получения атомов
антиводорода. Фото: Niels Madsen ALPHA/Swansea

Ученые Европейского центра ядерных исследований получили
38 атомов антиводорода Источник: CBC

Участники проекта «Альфа» Роб Томпсон и Макото Фудзивара

«Мы в восторге. Это пять лет тяжелой работы», – признал руководитель эксперимента «АЛЬФА» Джеффри Хангст. Атом антиводорода состоит из негативно заряженного антипротона и позитрона – античастиц протона и электрона. Как подчеркивает «Нейчур», основная задача ученых эксперимента «АЛЬФА», а также другой коллаборации ЦЕРН – «АТРАП», сравнить уровни энергии антиводорода и водорода для того, чтобы подтвердить, что антиматерия обладает такой же силой электромагнитного воздействия, что и материя.

Это предположение лежит в основании теории Большого взрыва, приведшего, по одной из версий, к образованию нашей Вселенной. Большой взрыв 13 млрд лет назад произвел одинаковое число материи и антиматерии, однако последняя исчезла. Ее поиском и занимаются ученые, чтобы объяснить возникшую в нашем мире ассиметрию, найти ее источник и объяснить развитие Вселенной.

«По причинам, которые никто пока не понимает, природа исключила возможность существования антиматерии. Поэтому для нас это и награда, и отчасти потрясение – видеть наше устройство и знать, что внутри него стабильные нейтральные атомы антиматерии», – рассказал датский ученый Джеффри Хангст, руководящий проведением эксперимента в Европейской организации ядерных исследований.

Для проведения эксперимента была разработана специальная вакуумная ловушка. Благодаря мощным магнитным полям в ней удалось удержать в течение доли секунды атомы антиводорода от встречи с материей.

Европейский центр ядерных исследований расположен поблизости от Женевы. Ученые ЦЕРН достигли больших успехов в изучении антиматерии, синтезировав первый атом антиводорода в 1995 году. В 2002 году физики ЦЕРН сумели создать тысячи атомов антиводорода, однако они просуществовали несколько миллисекунд прежде чем аннигилировались с материей на стенках контейнеров.

Многие элементарные частицы можно удерживать при помощи специальных ловушек, генерирующих электрическое и/или магнитное поля. Атомы антиводорода незаряжены, поэтому их нельзя удерживать в электрическом поле. Авторы новой работы, участвующие в эксперименте ALPHA по изучению антиматерии, использовали комбинацию из двух ловушек – так называемых ловушек Пеннинга и ловушек Иоффе-Питчарда. В итоге антиводород удалось удерживать в течение десятых долей секунды.

Чтобы получить атомы антиводорода, ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов.

Следует отметить, что, несмотря на «пугала» вроде книг Дэна Брауна, эксперименты с антиматерией не опасны. Хотя «кусочка» антивещества массой всего один грамм было бы достаточно, чтобы произвести взрыв, сравнимый со взрывом ядерной бомбы над Хиросимой, накопить такое количество антиводорода и сохранить его на обозримо долгий срок, как легко понять из описания экспериментов выше, просто невозможно. В грамме вещества (и антивещества) содержится около 1 000 000 000 000 000 миллиардов частиц, и для гипотетического производства такого их количества потребуется время большее чем время жизни Вселенной.

Для обеспечения полной достоверности получаемых научных результатов CERN старается обеспечить изучение каждого явления двумя независимыми группами ученых с помощью принципиально разной аппаратуры. Так, эксперименты CMS и Atlas Большого адронного коллайдера дублируют друг друга в поисках бозона Хиггса и «новой физики». Есть коллега и у эксперимента Alfa — это коллаборация Asacusa, где недавно разработана новая технология получения атомов антиводорода для создания пучка таких атомов, достаточно интенсивного и стабильного во времени для подробного изучения. Работа вскоре будет опубликована в Physical Review Letters.

Используя новую технологию, ученые смогут, в частности, получить спектр атомов антиводорода. Согласно принципу CPT-симметрии, постулируемому в рамках общей теории относительности, спектры атомов вещества и антивещества должны быть идентичными. Если этот факт будет опровергнут, то ученым придется пересмотреть свои представления об устройстве мира.

Эксперты называют это научным прорывом, который поможет разгадать загадку происхождение Вселенной в первые микросекунды после Большого Взрыва. Теперь перед физиками стоит задача получения большего числа атомов и удержания их в устойчивом состоянии в течение более длительного времени с целью более подробного их изучения.

По материалам